O que é impressão 3D com jato de aglutinante?

O que é impressão 3D?

A impressão 3D, também conhecida como manufatura aditiva (AM), é um novo método não convencional para produzir componentes ou produtos adicionando materiais camada por camada. A impressão 3D não exige mais subtrações de materiais para criar moldes ou formas líquidas. Ela pode criar livremente componentes complexos, específicos e irrealizáveis que não são possíveis com a fabricação tradicional. Embora a impressão 3D seja uma nova tecnologia bastante diferente da manufatura tradicional, muitas pesquisas e artigos relacionados foram publicados desde 2014. [ ^1] Agora ela está entrando em muitos setores diferentes para desafiar as tecnologias tradicionais.

A impressão 3D pode ser dividida em dois grupos: um usa o método baseado em fusão, como Powder Bed Fusion (PBF) e Directed Energy Deposition (DED); o outro usa o método sem fusão, como Binder Jetting (BJ). Este artigo se concentrará na tecnologia de jateamento de ligante.

O que é Binder Jetting?

O Binder Jetting (BJ) é uma das principais tecnologias de impressão 3D amplamente utilizadas. Ela espalha o pó em uma camada no leito de pó e usa um aglutinante, geralmente um líquido polimérico, para unir seletivamente o pó no formato de camada desejado. A geometria 3D é construída ligando-se camada por camada na caixa de pó. Remova o pó não utilizado e você obterá as peças "verdes" impressas. Essas peças "verdes" precisam de pós-tratamentos, como sinterização e impregnação, para obter as propriedades desejáveis para uso.

À medida que a tecnologia melhora para a sinterização de pequenos recursos e suportes, o jato de aglutinante é amplamente utilizado em armazenamento de energia eletroquímica, dispositivos eletrônicos, tecnologia de alimentos, células de combustível de óxido sólido [66], moldes para fundição em areia [67-76], circuitos e antenas de guia de ondas, construção de concreto, materiais renováveis de base biológica, andaimes de cerâmica, biopolímeros, produção de arenito e aplicações biomédicas e fornecimento de medicamentos. [ ^2] A Figura 1^[1] mostra o cabeçote de impressão de uma impressora de jato de ligante.

Procedimento detalhado do jato de ligante

Em todos os métodos de manufatura aditiva, um modelo CAD projetado/digitalizado é o elemento-chave para criar dados de camada fina para impressão. A camada fina é então espalhada no leito de pó, geralmente por um rolo de contra-rolagem com pó. Controlado pelo computador, o cabeçote de impressão borrifa o aglutinante (polímero) na camada de acordo com o modelo CAD. A saturação do aglutinante deve ser calculada com base na densidade do pó e ser inserida pelo operador. A Figura 2 mostra a estrutura de uma máquina de jateamento de aglutinante para sua referência.

Após o jateamento, o aglutinante é aquecido por um aquecedor elétrico em preparação para o espalhamento subsequente da camada. A manutenção de uma temperatura constante ajuda a manter a qualidade de cada camada. A cura ou secagem do aglutinante é muito importante para evitar rachaduras no leito de pó ou a aderência do pó no rolo. Em seguida, o pistão desce uma distância de uma camada, geralmente de 50 a 200 µm, resultando em uma nova camada de pó a ser espalhada por cima pelo rolo. Repita as etapas acima até obter a peça "verde".

Pós-processamento do jato de aglutinante

Após a impressão, a pós-cura às vezes é necessária para obter resistência suficiente para a peça "verde". Leve toda a caixa de pó para um forno a 180 a 200°C por várias horas, dependendo do volume e do grau do aglutinante. Em seguida, retire a parte "verde" do leito de pó, o que é chamado de despolimento. Você pode usar uma escova ou um sistema de vácuo para remover o pó do produto. Tenha cuidado durante todo esse processo, pois a parte "verde" ainda é menos densa e é mantida unida pelo aglutinante. Outra maneira de secar ou curar é usando luz, e a parte "verde" pode ser removida diretamente da máquina.

Remova o aglutinante polimérico aquecendo a cerca de 600 ~ 700 ℃ após a secagem. A próxima etapa é a sinterização ou infiltração. A sinterização é frequentemente usada para pó metálico devido à sua baixa temperatura de sinterização em comparação com o pó cerâmico. Os parâmetros de sinterização são uma consideração muito complicada. Para pós de diferentes materiais e diferentes tamanhos de partículas, a temperatura de sinterização, a atmosfera e o tempo de retenção são todos diferentes. A sinterização deve ser feita de acordo com a tolerância do material e a dimensão do produto final. A infiltração geralmente tem características mais precisas do que a sinterização, que pode gerar geometrias deformadas. ^[4]

A última etapa é o polimento da peça condensada para reduzir a rugosidade da superfície.

Vantagens e desvantagens do jato de ligante

Vantagens:

1. O jateamento de aglutinante não funde o pó e faz com que ele se una. Não há necessidade de se preocupar com a oxidação do pó. Não há necessidade de câmaras seladas caras para obter vácuo/ambiente inerte.
2. Todo o processo é realizado em temperatura ambiente, de modo que o produto final não apresenta tensão residual.
3. Sua velocidade de operação é mais rápida do que a de outros métodos de fabricação adicionais.
4. Vários tipos de pó podem ser usados no jato de aglutinante.

Desvantagens:

1. O procedimento de pós-processamento é relativamente complicado.
2. A superfície do produto é mais áspera do que a obtida por outros métodos de AM.
3. Materiais diferentes precisam de parâmetros de pós-processamento diferentes.

Material em pó usado no jato de aglutinação

O jato de aglutinante usa pó de 0,2 a 200 μm como matéria-prima. É relatado que 20 μm é um divisor de águas porque o pó maior que 20 μm pode ser considerado pó grosso. Em teoria, quanto mais fino o pó, maior a resolução do produto produzido pelo jato de aglutinante. No entanto, o pó fino é difícil de espalhar uniformemente camada por camada, ou seja, sua fluidez é baixa. Portanto, o diâmetro ideal para o jato de aglutinante ainda é discutível.

O pó esférico, como metal, areia e cerâmica, é amplamente utilizado no jato de aglutinante. O pó esférico pode criar uma microestrutura homogênea entre o pó, evitando macrovazios pelos quais os aglutinantes não podem penetrar. Em outras palavras, o uso de pó esférico pode produzir componentes "verdes" mais densos do que o pó irregular. A densidade está positivamente relacionada à resistência do componente.

Leia mais: Pó para impressão 3D: o que é e como é usado?

Aplicações do jato de ligante

O jateamento de ligante tem uma variedade de usos nos setores industrial, odontológico, medicinal, aeroespacial, de fundição de peças, de luxo e outros. O jateamento de ligante é usado principalmente em cerâmica estrutural e cerâmica funcional, mas recentemente mostrou bom desempenho em engenharia biomédica, representado por pó de hidroxiapatita ou pó de fosfato tricálcico. O pó esférico de Al2O3, o pó esférico de SiO2 e o pó de Si3N4 representam os pós estruturais e funcionais usados no jateamento de aglutinante.

Para obter mais informações, visite a página inicial da Stanford Advanced Materials.

Referências:

1. Mostafaei, A., Elliott, A. M., Barnes, J. E., Li, F., Tan, W., Cramer, C. L., Nandwana, P., & Chmielus, M. (2021). Binder jet 3D printing-process parameters, materials, properties, modeling, and challenges (pp.2). Progress in Materials Science, 119, 100707. https://doi.org/10.1016/j.pmatsci.2020.100707
2. Mostafaei, A., Elliott, A. M., Barnes, J. E., Li, F., Tan, W., Cramer, C. L., Nandwana, P., & Chmielus, M. (2021). Binder jet 3D printing-process parameters, materials, properties, modeling, and challenges (pp.6). Progress in Materials Science, 119, 100707. https://doi.org/10.1016/j.pmatsci.2020.100707
3. Mostafaei, A., Elliott, A. M., Barnes, J. E., Li, F., Tan, W., Cramer, C. L., Nandwana, P., & Chmielus, M. (2021). Binder jet 3D printing-process parameters, materials, properties, modeling, and challenges (pp.7). Progress in Materials Science, 119, 100707. https://doi.org/10.1016/j.pmatsci.2020.100707
4. Mostafaei, A., Elliott, A. M., Barnes, J. E., Li, F., Tan, W., Cramer, C. L., Nandwana, P., & Chmielus, M. (2021). Binder jet 3D printing-process parameters, materials, properties, modeling, and challenges (pp.9). Progress in Materials Science, 119, 100707. https://doi.org/10.1016/j.pmatsci.2020.100707
5. O que é jato de aglutinante? ExOne. (n.d.). Recuperado em 19 de dezembro de 2022, de https://www.exone.com/en-US/Resources/case-studies/what-is-binder-jetting